Голограммная камера рассеивает свет, чтобы увидеть вокруг углов

Команда исследователей из Северо-Западного университета изобрела новую высокоразрешающую камеру, которая может видеть вокруг углов и через рассеивающие среды, которые могут быть чем угодно, от кожи до тумана.

Исследование было опубликовано 18 ноября в журнале Nature Communications.

Новый метод называется синтетической волновой голографией, и он косвенно рассеивает когерентный свет на скрытые объекты. Когерентный свет затем рассеивается снова, прежде чем вернуться в камеру.

Следующий шаг – алгоритм, который восстанавливает сигнал рассеянного света, чтобы раскрыть скрытые объекты. Этот новый метод также может изображать быстро движущиеся объекты, такие как бьющееся сердце через грудь, благодаря его высокой временной разрешающей способности.

Изображение вне линии зрения

Есть название для этой относительно новой области исследований, которая включает изображение объектов за рассеивающими средами: изображение вне линии зрения (NLoS). Новый метод, разработанный командой исследователей, может быстро захватывать полевые изображения больших площадей, и он делает это с крайней точностью и точностью.

Учитывая высокий уровень разрешения, есть возможность для вычислительной камеры изображать через кожу, чтобы увидеть крошечные капилляры.

Есть много потенциальных применений для этой технологии, включая неинвазивное медицинское изображение. Она также может быть использована для ранних систем предупреждения навигации для автомобилей и инспекции в ограниченных пространствах.

Флориян Вилломитцер – первый автор исследования.

“Наша технология откроет новую волну возможностей изображения”, – сказал Вилломитцер. “Наши текущие прототипы датчиков используют видимый или инфракрасный свет, но принцип универсален и может быть расширен на другие длины волн. Например, тот же метод может быть применен к радиоволнам для космических исследований или подводного акустического изображения. Он может быть применен к многим областям, и мы только поцарапали поверхность.”

По словам Вилломитцера, изображение вокруг угла и органа внутри человеческого тела на самом деле довольно похожи.

“Если вы когда-либо пытались засветить фонарик через свою руку, то вы испытывали это явление”, – сказал Вилломитцер. “Вы видите яркое пятно на другой стороне руки, но, теоретически, там должен быть теневой образ, отбрасываемый костями, раскрывающий структуру костей. Вместо этого свет, который проходит через кости, рассеивается в тканях во всех направлениях, полностью размывая теневой образ.”

Перехват рассеянного света

Перехватывая рассеянный свет, можно восстановить информацию о времени его прохождения, чтобы раскрыть скрытый объект.

“Ничто не быстрее скорости света, поэтому если вы хотите измерить время прохождения света с высокой точностью, то вам нужны чрезвычайно быстрые детекторы”, – сказал Вилломитцер. “Такие детекторы могут быть ужасно дорогими.”

Чтобы преодолеть эту проблему, команда объединила световые волны от двух лазеров, чтобы сгенерировать синтетическую световую волну, которая может быть специально разработана для голографического изображения в разных рассеивающих сценариях.

“Если вы можете захватить весь световой поток объекта в голографии, то вы можете восстановить трехмерную форму объекта в полном объеме”, – сказал Вилломитцер. “Мы делаем это голографическое изображение вокруг угла или через рассеиватели – с синтетическими волнами вместо нормального света.”

Учитывая, что свет распространяется по прямым путям, новое устройство требует непрозрачного барьера, чтобы увидеть вокруг углов. Свет испускается из блока датчика, прежде чем отразиться от барьера и попасть на объект вокруг угла. Затем он отражается обратно от барьера и возвращается в детектор блока датчика.

“Это как будто мы можем посадить виртуальную вычислительную камеру на каждой удаленной поверхности, чтобы увидеть мир с точки зрения этой поверхности”, – сказал Вилломитцер.

Все это означает, что новая технология может либо заменить, либо дополнить эндоскопы для медицинского и промышленного изображения. Благодаря ее использованию, гибкие камеры больше не нужны, чтобы поворачивать углы и двигаться через узкие пространства. Вместо этого синтетическая волновая голография может использовать свет, чтобы увидеть вокруг этих углов.